close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY8451

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 8451
(13) C1
(19)
(46) 2006.08.30
(12)
7
(51) H 01L 21/304, 21/302,
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
B 28D 5/02
СПОСОБ РЕЗКИ СЛИТКОВ КРЕМНИЯ НА ПЛАСТИНЫ
(21) Номер заявки: a 20030504
(22) 2003.06.10
(43) 2003.12.30
(71) Заявитель: Производственное республиканское унитарное предприятие
"Завод полупроводниковых приборов" (BY)
(72) Авторы: Сенько Сергей Федорович;
Зеленин Виктор Алексеевич; Емельянов Виктор Андреевич; Белоус
Анатолий Иванович (BY)
(73) Патентообладатель: Производственное
республиканское унитарное предприятие "Завод полупроводниковых приборов" (BY)
(56) Зеленин В.А., Мельников Г.Г., Сенько С.Ф. Машиностроение: Республиканский межведомственный сборник
научных трудов. - 2001. - Выпуск 17. С. 19-23.
RU 2118594 C1, 1998.
EP 0734823 A1, 1996.
JP 6190824 А, 1994.
BY 8451 C1 2006.08.30
(57)
Способ резки слитков кремния на пластины, включающий ориентирование плоскости
реза в заданной кристаллографической плоскости, приклейку слитка к оправке, резку
слитка на пластины алмазным кругом с внутренней режущей кромкой при абразивном
воздействии вдоль одного из направлений <110> в плоскости реза, причем выбирают слиток с
ориентацией (001), отличающийся тем, что резку слитка осуществляют при наклоне торца
режущей кромки к оси вращения на 5-30° или при выборе слитка с ориентацией (111) на 5-20°, причем острый угол кромки примыкает к торцу остающейся части слитка.
Фиг. 3
Фиг. 4
BY 8451 C1 2006.08.30
Изобретение относится к электронной технике, в частности к механической обработке
полупроводниковых материалов, и может быть использовано при изготовлении пластин
из монокристаллических слитков кремния, а также из других материалов.
Одной из операций механической обработки полупроводниковых материалов является
резка слитка монокристалла полупроводника на пластины. Наиболее важной характеристикой этого процесса является совершенство геометрических параметров получаемых
пластин. В настоящее время для разделения слитков в частности кремния, на пластины
наиболее широко используют алмазные круги с внутренней режущей кромкой АКВР. Характеристики рабочей части режущей кромки, в частности ее торца, оказывают большое
влияние на процесс резки и качество получаемых пластин. Это связано с тем, что на него
приходится основная механическая нагрузка в процессе резки. Характеристики боковых
поверхностей рабочей части режущей кромки также оказывают существенное влияние на
глубину нарушенного слоя на поверхностях отрезаемых пластин [1].
Известен способ резки слитков монокристаллического кремния на пластины, включающий ориентирование плоскости реза, приклейку слитка к графитовой подложке и абразивное воздействие вдоль плоскости реза [2].
Недостатки данного способа связаны с тем, что он не учитывает влияния кристаллографических факторов и осевых сил, действующих на режущую кромку в процессе резки.
Это приводит к большой глубине нарушенных слоев на поверхностях отрезаемых пластин, повышенному прогибу пластин и микронеровности поверхности в виде волнистости, вызванной биением режущего круга под действием осевых сил. В результате
приходится назначать большие припуски на последующую шлифовку и полировку пластин, что повышает удельный расход кремния. Получаемые пластины содержат значительное количество несовершенств структуры и геометрической формы, что сильно
ограничивает их использование для изготовления современных полупроводниковых приборов.
Наиболее близким к изобретению, его прототипом, является способ резки монокристаллических слитков кремния на пластины, включающий ориентирование плоскости
реза, приклейку слитка к подложке и абразивное воздействие вдоль заданного кристаллографического направления в плоскости реза [3].
Данный способ, в отличие от аналога, учитывает влияние кристаллографических факторов на процесс резки монокристаллов. Для слитков ориентации (001) в качестве направления абразивного воздействия, как правило, выбирают наиболее выгодное с точки зрения
обеспечения хрупкого разрушения монокристаллического кремния направление, а именно
вдоль <110>. При этом глубина нарушенных слоев снижается.
Недостатком прототипа является то, что он не учитывает влияния осевых сил, действующих на режущую кромку в процессе резки, на качество отрезаемых пластин. Неконтролируемое осевое биение режущего круга приводит к возникновению относительно
высокого прогиба отрезаемых пластин и микронеровностей их поверхностей.
Рассмотрим процесс резки более подробно. В процессе резки слитка кремния на пластины на поверхностях реза образуются нарушенные слои, обусловленные проникновением в объем кристалла микротрещин и дислокационной структуры. Глубина нарушенного
слоя определяется условиями резки и возможностями релаксации вносимых при резке механических напряжений. Возможности релаксации механических напряжений в отрезаемой пластине и остающейся части слитка разные. Отрезаемая пластина достаточно тонкая
и изгибается под действием механических напряжений. Остающаяся часть слитка является толстой и не может изгибаться. Подача смазывающе-охлаждающей жидкости (СОЖ) на
быстро вращающийся круг АКВР приводит к появлению гидродинамического давления
по обе его стороны. Вследствие изгиба отрезаемой пластины давление со стороны отрезаемой пластины оказывается меньшим по сравнению с давлением со стороны остающейся части слитка. Это приводит к возникновению осевой силы, действующей на режущую
2
BY 8451 C1 2006.08.30
кромку, не учитываемой прототипом. Она направлена в сторону отрезаемой пластины и
приводит к смещению режущей кромки круга. Максимальное отклонение кромки, как
правило, приходится на центральную, наиболее широкую часть сечения слитка, поэтому
отрезаемая пластина получается несколько изогнутой по цилиндрической поверхности,
т.е. возникает прогиб пластин.
С другой стороны, по мере увеличения глубины пропила величина смещения режущего круга увеличивается и достигает некоторого критического значения, когда силы упругости, пропорциональные величине этого смещения, возвращают круг в исходное
положение. При этом на поверхности отрезаемой пластины возникает дугообразная канавка, являющаяся следом траектории режущей кромки круга. Со стороны слитка, соответственно, возникает дугообразный выступ. Дальнейшее увеличение глубины пропила
приводит к новому смещению круга в сторону отрезаемой пластины и его возврату в исходное положение по достижении некоторой величины. Возникает еще одна канавка. Такой процесс повторяется многократно в течение всего цикла резки и внешне проявляется
как осевое биение режущего круга.
Осевые силы, действующие на режущую кромку, крайне неустойчивы и сильно зависят от множества случайных факторов - изменения скорости подачи СОЖ, вибрации станка в целом, выкрашивания зерен абразива и т.п. Это приводит к неуправляемости осевого
биения режущего круга и возникновению волнистости на поверхности отрезаемых пластин.
Таким образом, способ-прототип характеризуется наличием неустойчивых осевых
сил, действующих на режущую кромку, что приводит к сильному осевому биению режущего круга в процессе резки и возникновению в результате этого следов траектории режущей кромки на поверхности отрезаемых пластин и их высокому прогибу. Прогиб и
следы траектории режущей кромки являются дефектами геометрической формы и отрицательно влияют на параметры изготавливаемых на этих пластинах приборов. Поэтому наличие таких дефектов является признаком низкого качества пластин.
Задачей настоящего изобретения является повышение качества отрезаемых пластин за
счет улучшения их геометрических параметров.
Поставленная задача решается тем, что в способе резки слитков кремния на пластины,
включающем ориентирование плоскости реза в заданной кристаллографической плоскости, приклейку слитка к оправке, резку слитка на пластины алмазным кругом с внутренней режущей кромкой при абразивном воздействии вдоль одного из направлений <110> в
плоскости реза, причем выбирают слиток с ориентацией (001), резку слитка осуществляют
при наклоне торца режущей кромки к оси вращения на 5-30° или при выборе слитка с
ориентацией (111) - на 5-20°, причем острый угол кромки примыкает к торцу остающейся
части слитка.
Сущность заявляемого способа заключается в уменьшении осевого биения режущего
круга за счет предотвращения его смещения в сторону отрезаемой пластины воздействием
силы, вызванной наклоном торца режущей кромки к оси вращения.
Придание наклона торцу режущей кромки инструмента приводит к появлению устойчивой осевой силы, направленной в сторону острого угла кромки. Если острый угол кромки примыкает к торцу остающейся части слитка, эта сила прижимает режущий диск к
остающейся части слитка и препятствует отклонению инструмента от плоскости реза в
сторону отрезаемой пластины. Отсутствие отклонения режущего круга в сторону отрезаемой пластины сводит к нулю силу, возникающую вследствие упругости режущего круга,
ответственную за появление осевого биения. Вместе с тем отклонение инструмента в сторону остающейся части слитка не происходит из-за высокой жесткости последнего. Все
это значительно стабилизирует процесс резки и снижает осевое биение режущего круга.
Снижение осевого биения режущего круга приводит к более равномерному распределению и снижению глубины нарушенных слоев на поверхностях отрезаемых пластин и к
3
BY 8451 C1 2006.08.30
заметному улучшению геометрических параметров отрезаемых пластин - уменьшается
прогиб пластин и исчезает микроволнистость поверхности.
В том случае, когда острый угол кромки примыкает к отрезаемой пластине, эта осевая
сила оказывается направленной в сторону отрезаемой пластины, что увеличивает осевое
биение и ухудшает качество отрезаемых пластин.
Подбор величины вводимой осевой силы осуществляется выбором угла наклона торца
режущей кромки исходя из условия уравновешивания смещения инструмента, вызванного
изгибом отрезаемой пластины, а также с учетом кристаллографических факторов. Экспериментально установленные оптимальные углы наклона составляют 5-20° при резке слитков ориентации (111) и 5-30° при резке слитков ориентации (001). Придание заданного
наклона проводят путем правки, используемой для периодической очистки абразивного
слоя от кремниевой крошки, графита и приклеечного материала.
Нижние пределы наклона торца режущей кромки 5° в случае резки слитков ориентации (001) и (111) обусловлены тем, что при углах наклона, меньших 5°, возникающая сила
недостаточна для компенсации смещения режущего круга под действием гидродинамического давления СОЖ. Верхний предел 30° в случае резки слитка ориентации (001) обусловлен
тем, что плоскости (01 1 ) и (011) скольжения дислокаций и зарождения микротрещин,
обусловливающие стружкообразование и микроскалывание фрагментов кремния в процессе резки, расположены под углом 45° к оси слитка. При углах, больших 30°, область
зарождения микротрещин, ограниченная пересекающимися плоскостями скольжения дислокаций, сильно сужается, что заметно затрудняет процесс резки.
Верхний предел наклона торца режущей кромки 20° в случае резки слитка ориентации
(111) обусловлен тем, что одна из плоскостей (11 1 ) скольжения дислокаций и зарождения
микротрещин расположена под углом ~35° к оси слитка, и увеличение угла наклона сильно сужает область зарождения микротрещин.
Способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема резки слитка кремния
ориентации (001) по способу-прототипу, на фиг. 2 - схема резки слитка кремния ориентации (111) по способу-прототипу, на фиг. 3 - схема резки слитка кремния ориентации (001)
по заявляемому способу, на фиг. 4 - схема резки слитка кремния ориентации (111) по заявляемому способу, на фиг. 5 - фотографии пластин, изготовленных в соответствии с заявляемым способом (а-в) и пластин с волнистостью поверхности, изготовленных согласно
способу-прототипу (г-е), на фиг. 6 - профилограммы поверхности пластин, изготовленных
в соответствии с заявляемым способом (а) и прототипом (б), на фиг. 7 - гистограммы распределения прогиба пластин марки 100 КЭС 0,01 (100), изготовленных в соответствии с
заявляемым способом (а) и прототипом (б), на фиг. 8 - гистограммы распределения прогиба пластин марки 100 КДБ 0,3-(111), изготовленных в соответствии с заявляемым способом (а) и прототипом (б).
На фиг. 1-4 приняты следующие обозначения: 1 - отрезаемая пластина, 2 - алмазный
круг АКВР, 3 - торец режущей кромки, 4 - остающаяся часть слитка.
Как видно из фиг. 1 и фиг. 2, в случае прототипа на режущий круг действует сила давления F1 в плоскости реза, определяемая величиной подачи режущего круга, осевая сила
F2, определяемая гидродинамическим давлением со стороны остающейся части слитка и
направленная в сторону отрезаемой пластины, и направленная в сторону остающейся части слитка сила F3, также определяемая гидродинамическим давлением, но со стороны отрезаемой пластины. Вследствие изгиба отрезаемой пластины сила F2, как правило,
больше, чем F3. В результате режущая кромка отклоняется в сторону отрезаемой пластины. При этом возникает дополнительная сила упругости круга, совпадающая по направлению с F3 (на чертежах не показана), за счет которой система возвращается в состояние
неустойчивого равновесия, а кромка круга совершает колебательные движения вдоль оси,
что ухудшает геометрические параметры отрезаемых пластин.
4
BY 8451 C1 2006.08.30
Появление осевой силы F1О, вызванной наклоном торца режущей кромки и противоположной F2, как видно из фиг. 3 и фиг. 4, уравновешивает действие последней. Отклонение режущей кромки исчезает, соответственно исчезает и осевое биение режущего круга.
Это предотвращает появление микроволнистости поверхности отрезаемых пластин, вызванной осевым биением круга, и снижает прогиб пластин, вызываемый смещением режущей кромки в сторону отрезаемой пластины. Качество пластин в целом возрастает.
Заявляемый способ был реализован следующим образом.
Для резки использовали слитки кремния марки 100 КДБ 0,3-(111) и 100 КЭС 0,01
(100). При помощи рентгеновской установки УРС-60И слитки ориентировали в плоскости
реза. Затем формировали на них базовые и маркировочные срезы. Далее слитки приклеивали к графитовой оправке и устанавливали на станок для резки слитков полупроводниковых материалов на пластины "Алмаз-6М". Для резки использовали круги марки АКВР
422×136×0,3, скорость вращения составляла 2000 об./мин, в качестве охлаждающей жидкости использовали 2 %-ный водный раствор "Аквол-II". Толщина отрезаемых пластин
составила 600 ± 20 мкм. Резку слитка ориентации (111) на пластины проводили при абразивном воздействии в направлении [ 1 10] и подаче инструмента в направлении [ 1 1 2]. Резку слитка ориентации (001) на пластины проводили при абразивном воздействии в
направлении [110]. Наклон торцу режущей кромки круга придавали путем правки. При
изготовлении пластин по способу-прототипу правку режущей кромки проводили стандартным способом (без наклона торца).
Наличие волнистости поверхности контролировали визуально и с помощью профилометра-профилографа модели 252. Фотографии пластин, изготовленных в соответствии с
заявляемым способом, приведенные на фиг. 5, а-в, свидетельствуют об отсутствии волнистости, в то время как фотографии пластин, изготовленных в соответствии со способомпрототипом, приведенные на фиг. 5, г-е, подтверждают ее наличие. Неоднородность расположения следов режущей кромки по площади пластин, изготовленных по способупрототипу, свидетельствует о нестабильности процесса резки и его подверженности влиянию случайных неконтролируемых факторов. Высота микронеровностей поверхности
пластины, изготовленной согласно заявляемому способу, как следует из профилограммы,
приведенной на фиг. 6, а, составляет величину менее 1 мкм, а высота микронеровностей
поверхности пластины, изготовленной согласно способу-прототипу, составляет около 2 мкм
(фиг. 6, б). Это свидетельствует о том, что заявляемый способ позволяет получать пластины с более высоким качеством поверхности.
Контроль величины прогиба пластин проводили бесконтактным методом на установке
ЩЦМ3.445.007. По полученным значениям величины прогиба строили гистограммы их
распределения для пластин разного типа. Сравнение гистограммы распределения величин
прогиба пластин марки 100 КЭС 0,01 (100), изготовленных в соответствии с заявляемым
способом (всего 104 пластины), приведенной на фиг. 7, а, с гистограммой распределения
величин прогиба пластин, изготовленных по способу-прототипу (всего 108 пластин), приведенной на фиг. 7, б, показывает, что доля пластин с низкими значениями прогиба выше
для заявляемого способа. Та же картина наблюдается и для пластин марки 100 КДБ 0,3(111), что видно из фиг. 8, а (всего 107 пластин) и 8, б (всего 121 пластина). Для заявляемого способа максимальное количество пластин имеет прогиб от 0 до 10 мкм, а для прототипа - от 5 до 15 мкм.
Данные по зависимости прогиба получаемых пластин от угла наклона торца режущей
кромки представлены в таблице. Из таблицы видно, что заявляемый способ по сравнению
с прототипом позволяет получать пластины с более низким средним значением прогиба.
Запредельные значения угла наклона торца режущей кромки не позволяют в полной мере
решить поставленную задачу.
5
BY 8451 C1 2006.08.30
Таблица
Тип пластин
Наклон торца
режущей
кромки, град
Среднее значение
прогиба, мкм
Примечание
100 КДБ 0,3-(111)
3
12,5
Волнистость поверхности
на некоторых пластинах
100 КДБ 0,3-(111)
100 КДБ 0,3-(111)
100 КДБ 0,3-(111)
100 КДБ 0,3-(111)
5
10
20
30
7,3
8,2
6,1
10,0
100 КЭС 0,01 (100)
3
14,1
100 КЭС 0,01 (100)
100 КЭС 0,01 (100)
100 КЭС 0,01 (100)
100 КЭС 0,01 (100)
5
15
30
40
прототип
100 КЭС 0,01 (100)
(без наклона)
прототип
100 КДБ 0,3-(111)
(без наклона)
7,5
6,0
6,7
11,2
13,2
12,4
Снижение скорости резки
Волнистость поверхности
на некоторых пластинах
Снижение скорости резки
Волнистость поверхности
на многих пластинах
Волнистость поверхности
на многих пластинах
Таким образом, заявляемый способ по сравнению с прототипом позволяет получать
пластины более высокого качества за счет улучшения их геометрических параметров.
Источники информации:
1. Карбань В.И., Борзаков Ю.И. Обработка монокристаллов в микроэлектронике. - М.:
Радио и связь, 1988. - 104 с.
2. Карбань В.И., Кой П., Рогов В.В., Хофман X. и др. Обработка полупроводниковых
материалов / Под ред. Новикова Н.В. и Бертольди В. - Киев: Наукова думка, 1982. - 256 с.
3. Зеленин В.А., Мельников Г.Г., Сенько. С.Ф. Особенности резки монокристаллических слитков кремния на пластины. Машиностроение: Сб. научн. трудов. Вып. 17. /
Под ред. И.П. Филонова. - Мн.: УП "Технопринт", 2001. - C. 19-23.
6
BY 8451 C1 2006.08.30
Фиг. 1
Фиг. 2
Фиг. 5
Фиг. 6
7
BY 8451 C1 2006.08.30
Фиг. 7
Фиг. 8
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
8
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 160 Кб
Теги
by8451, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа